Интерфейсы периферийных устройств

2.1 Преимущества последовательного соединения

    По своей природе порты USB и IEEE 1394 (IEEE — это аббревиатура

от Institute of Electrical and Electronic Engineers (Институт инженеров по электротехнике и радиоэлектронике)) являются последовательными. При этом данные передаются по одному биту по одному проводу за такт. В то же время параллельные порты (SCSI, ATA и LPT) предполагают использование 8, 16 и более проводов. Можно предположить, что за одно и то же время через параллельный канал передается больше данных, чем через последовательный, однако на самом деле увеличить пропускную способность последовательного соединения намного легче, чем параллельного.

    Параллельное соединение обладает рядом недостатков, одним из которых является фазовый сдвиг сигнала, из-за чего длина параллельных каналов, например SCSI, ограничена (не должна превышать 3 м). Проблема в том, что, хотя 8_ и 16_разрядные данные одновременно пересылаются передатчиком, из-за задержек одни биты прибывают в приемник раньше других. Следовательно, чем длиннее кабель, тем больше время задержки между первым и последним прибывшими битами на приемном конце.

    Последовательная шина позволяет единовременно передавать 1 бит данных. Благодаря отсутствию задержек при передаче данных значительно увеличивается тактовая частота. Например, максимальная скорость передачи данных параллельного порта EPP/ECP достигает 2 Мбайт/с, в то время как порты IEEE_1394 (в которых используется высокоскоростная последовательная технология) поддерживают скорость передачи данных, равную 400 Мбит/с (около 50 Мбайт/с), т.е. в 25 раз выше. Скорость передачи данных современных интерфейсов IEEE_1394b (FireWire 800) достигает 800 Мбит/с (или около 100 Мбайт/с), что в 50 раз превышает скорость передачи параллельного порта! Наконец, быстродействие интерфейса USB 2.0 достигает 480 Мбит/с (около 60 Мбайт/с). 

2.2 Универсальная последовательная шина USB

В USB реализована  возможность подключения к компьютеру большого количества периферийных устройств. При подключении устройств к USB не нужно устанавливать платы в разъемы системной платы и реконфигурировать систему; кроме того, экономно используются такие важные системные ресурсы, как IRQ (запросы прерывания). При подключении периферийного оборудования к компьютерам, оснащенным шиной USB, его настройка происходит автоматически, сразу после физического подключения, без перезагрузки или установки. Шина USB позволяет одновременно использовать до 127 устройств, причем такие периферийные устройства, как монитор или клавиатура, могут предоставлять дополнительные разъемы и выступать в качестве концентраторов USB. Кабели, разъемы, концентраторы и периферийные устройства, поддерживающие USB, можно определить по значку, показанному

на рис. 2.1. Обратите внимание на символ “плюс”, добавленный ко второму значку, — он означает стандарт USB 2.0 (Hi-Speed USB). 

Рис. 2.1. Логотип устройств USB 

    Основным инициатором разработки стандарта USB выступила Intel. Начиная с набора микросхем системной логики Triton II (82430HX), в котором стандарт USB был воплощен в микросхеме PIIX3 South Bridge, компания Intel поддерживает этот стандарт во всех своих наборах микросхем системной логики.

    Совместно с Intel над созданием универсальной последовательной шины работали еще шесть компаний, среди которых Compaq, Digital, IBM, Microsoft, NEC и Northern Telecom. Ими был создан USB Implement Forum (USB_IF), целью которого является развитие, поддержка и распространение архитектуры USB.

    Первая версия USB анонсирована в январе 1996 года, а версия 1.1 — в сентябре 1998. В этой спецификации более подробно описаны концентраторы и другие устройства. Большинство устройств USB должны быть совместимы со спецификацией 1.1, даже если они выпущены до ее официального опубликования. В появившейся спецификации USB 2.0 скорость передачи данных в 40 раз выше, чем в оригинальной USB 1.0; кроме

того, обеспечивается полная обратная совместимость устройств. Платы расширения PCI (длянастольных систем) и платы PC Card Cardbus_совместимых портативных компьютеров позволяют модернизировать компьютеры ранних версий, не имеющие встроенных разъемов USB. В настоящее время практически все системные платы имеют в стандартной комплектации четыре и более порта USB 2.0. Портативные компьютеры отличались более низкой производительностью, что продолжалось до начала 2003 года, когда порты USB 2.0 появились в ноутбуках в качестве стандартных компонентов.

 

2.3 Технические характеристики USB

    Универсальная последовательная шина версии 1.1 — это интерфейс, работающий со скоростью 12 Мбит/с (1,5 Мбайт/с) и основанный на простом 4-проводном соединении. Эта шина поддерживает до 127 подключаемых устройств и использует топологию звезды, построенную на

расширяющих концентраторах, которые могут входить в персональный компьютер, любое периферийное устройство USB и даже быть отдельными устройствами.

    Для таких низкоскоростных периферийных устройств, как клавиатура и мышь, в универсальной последовательной шине предусмотрен более “медленный” подканал, работающий со скоростью 1,5 Мбит/с.

    В USB используется кодирование данных NRZI (Non Return to Zero Invent). В этом методе кодирования изменение уровня напряжения соответствует 0, а его отсутствие — 1. Метод NRZI представляет собой весьма эффективную схему кодирования данных, поскольку при ее использовании не нужны дополнительные сигналы, например синхроимпульсы. Последовательность нулей означает переход с одного уровня на другой каждый бит времени; последовательность единиц означает длительный промежуток времени, при котором изменения данных не происходит. Этот эффективный метод кодирования передачи данных отменяет необходимость в дополнительных тактовых импульсах, которые занимали бы время и уменьшали пропускную способность шины.

    Скорость передачи данных, поддерживаемая стандартом USB 1.1, меньше, чем при передаче данных по FireWire или SCSI, но, несмотря на это, такой скорости вполне достаточно для подключения периферийных устройств. Интерфейс USB 2.0 работает примерно в 40 раз быстрее, чем USB 1.1; скорость передачи данных достигает 480 Мбит/с (или 60 Мбайт/с). Одним из свойств USB 2.0 является возможность выполнения параллельных операций, что позволяет устройствам USB 1.1 передавать данные одновременно, не переполняя канал шины USB.

    Существует четыре типа разъемов (штепселей) USB — А и В, Mini-A и Mini-B.

    Разъем типа А используется для организации входного/исходящего потока данных между устройством и портом/концентратором USB. Порты USB, имеющиеся в системных платах и концентраторах, обычно относятся к серии А. Разъемы серии В разработаны для передачи нисходящего потока данных к устройству с отсоединяемыми кабелями. В любом случае мини-разъемы являются просто уменьшенной версией стандартных разъемов, имеющей физически меньший формфактор.

    Разъемы USB совсем небольшие (особенно мини-разъемы), что выгодно отличает их от последовательных и параллельных кабелей, которые, кроме всего прочего, приходится прикреплять винтами или держателями. У разъема USB нет контактов, которые могут погнуться или сломаться, поэтому надежность разъема очень велика. Внешний вид разъемов и портов USB представлен на рис. 2.2.

    Обратите внимание, что гнездо Mini-A/B характеризуется двойным назначением, т.е. поддерживает как разъем Mini-A, так и разъем Mini-B. Новые мини-разъемы и гнезда имеют внутри соединителей пластиковые элементы, маркировка которых приведена в табл. 2.1.

Рис. 2.2. Разъемы и гнезда USB 

Таблица 2.1. Цветная маркировка разъемов и гнезд USB типа Mini-A/B 

 
 
 

   В табл. 2.2 и 2.3 представлено расположение выводов для разъемов и кабелей USB. В большинстве систем присутствует одна или две пары разъемов типа A на задней панели системного блока. Кроме того, у некоторых компьютеров есть одна или две пары разъемов на передней панели, что позволяет временно подключать некоторые устройства.

 

Таблица 2.2. Схема расположения выводов в разъеме USB серии A/B 

 

Таблица 2.3. Схема расположения выводов в разъеме USB типа Mini-A/B 

 

* Используется устройством для различения разъемов Mini-A и Mini-B. Идентификатор подключен к общему выводу в разъеме Mini-A и не подключен (открыт) в Mini-B. 

 

2.4 IEEE-1394 (FireWire или i.Link). Стандарты 1394

    В конце 1995 года отдел стандартов Института инженеров по электротехнике и электронике (Institute of Electrical and Electronic Engineers) опубликовал стандарт IEEE-1394 (или сокращенно 1394). Эти цифры — порядковый номер нового стандарта, который явился результатом обширных исследований в области мультимедийных устройств. Его основное преимущество заключается в высокой скорости передачи данных. Сегодня скорость передачи, поддерживаемая этим стандартом, достигает 400 Мбит/с.

    Текущая версия стандарта 1394 получила название 1394a (иногда ее называют по году опубликования стандарта — 1394a-2000). Стандарт 1394a предназначен для решения проблем, присущих оригинальной версии стандарта 1394 и связанных с совместимостью и многофункциональностью. В этом стандарте используются те же разъемы и поддерживаются те же скорости передач, что и в оригинальном стандарте 1394.

    Первые устройства, поддерживающие стандарт 1394b, были представлены в начале 2003 года. Первоначальная версия данного стандарта поддерживает скорость передачи данных, равную 800 Мбит/с; скорости передач будущих версий этого стандарта смогут достичь 3 200 Мбит/с. Стандарт 1394b поддерживает более высокие скорости, чем существующие в настоящее время стандарты 1394 и 1394a. Это связано с внедрением новых сетевых технологий, в частности стеклянного и пластикового волоконно-оптических кабелей и кабеля UTP 5-й категории, а также с увеличением возможного расстояния между устройствами, использующими кабельное соединение 5-й категории, и улучшением принципа передачи сигналов. Стандарт 1394b обратно совместимый с устройствами 1394a. Стандарт 1394 также известен под двумя другими именами: i.Link и FireWire. Первое название используется компанией Sony и является попыткой сделать этот стандарт более “дружественным” для конечных пользователей. Многие компании, занимающиеся производством устройств 1394 для ПК, поддержали инициативу Sony. Термин FireWire является зарегистрированной торговой маркой компании Apple. Несмотря на это, в мае 2002 года компания Apple и организация 1394 Trade Association приняли соглашение, позволяющее производителям и дилерам, входящим в ассоциацию, получать бесплатные лицензии торговой марки FireWire на разработку устройств, соответствующих стандарту 1394. При этом устройства должны предварительно пройти ряд специальных тестов. В компании Apple термин FireWire продолжает использоваться в качестве рыночного названия устройств IEEE-1394. Например, FireWire 400 относится к IEEE-1394a-совместимой продукции, а термин FireWire 800 используется для обозначения устройств, отвечающих требованиям стандарта IEEE-1394b.